基于超声波传感器的智能避障小车设计开题报告

1. 研究目的与意义

智能小车作为当代社会的新产物，正处于飞速发展的阶段。随着研究的深入，智能小车的应用领域越来越广泛，小到人们的日常生活，大到国家的军事航空都可以发现智能小车身影。在这样的时代背景下，本次设计对智能小车的避障功能进行了研究。避障是智能小车的一个基础功能，在众多智能小车的应用中，避障是不可缺少的一部分，比如儿童玩具小车、扫地机器人、浇花小车、地质勘查车等都需要避障功能的支持。

本次设计的避障小车是基于超声波传感器来实现避障功能的，而超声波作为智能小车避障的一种重要手段，具有避障实现方便，计算简单，抗干扰性强等优点。而且超声波避障能够做到实时的控制，测量的精度也比较高，能够满足正常工作的需要。

科学技术是世界发展的重心，而我国作为一个世界大国，科技的发展相当重要。智能避障小车因其在勘测、航空、军事、生活等领域的重要地位，使其成为了现代科学研究中的一个重要项目，所以对智能避障小车的研究对现代社会的发展具有深远的意义。

2. 国内外研究现状分析

国外在这方面的研究历史较长，始于上世纪50年代。20世纪50年代是智能小车研究的初始阶段。早在1954年，美国的barrett electronics^[2] 公司就研究开发了世界上第一台自主引导车系统agvs^[5]。到80年代中后期，智能小车的研究进入了快速发展的阶段，许多的发达国家都针对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目就是对这个领域的探索。在美洲，以美国为代表成立了一个国家自动高速公路系统的联盟。在亚洲，日本成立了高速公路辅助驾驶研究会^[7]。到了90年代，智能车辆开始进入了深入、系统、大规模研究阶段。其中最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学研究的navlab^[7]系列自主车，这种智能车已经能够实现传感器信息融合，图像处理以及车体控制等功能。另外，该大学还研究了一种类似于行星探测车的智能小车，这种探测车具有环境感知的能力，并且能够在沙漠等环境下进行自主控制，而且能够实现人工远距离遥控。欧洲方面，意大利的parma大学研制出了一种名为argo^[10]的试验车，该车是由福特汽车改装而成的，该车具有立体视觉检测以及定位车辆行驶前方障碍的功能，通过单目图像来得到周边道路的几何参数。国外在智能小车方面的研究还被应用在军事方面，法国就研制过一个战场侦测用的移动机器人，这是一种小型的无人驾驶车，操作人员可以通过控制平台对小车进行控制，用摄像头进行图像采集，通过无线传输获取数据，实现监控。

相比于国外，我国开展智能车辆技术的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数的研究处于针对某个单项技术进行研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，中国第一汽车集团公司和国防科技大学的机电工程与自动化学院于2003年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车。另一方面南京理工大学、北京理工大学、国防科技大学、浙江大学、清华大学等多所院校联合研制了一种军用室外自主车，该车装有激光雷达、彩色摄像机等传感器。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。

综合国内外研究现状，目前智能小车的发展已经走向成熟，智能小车开始被用来代替人类进行勘察、测量、运输等工作，且智能小车的功能越来越贴近人类生活，更多的民用产品问世，如扫地机器人、浇花机器人等。相信在不久的将来智能小车能帮助人类完成更多的事。

3. 研究的基本内容与计划

本次设计主要是针对智能小车在避障方面的研究，研究的具体内容如下，小车在行驶过程中遇到障碍物时，如果距离障碍物的距离大于40cm时，小车保持较高的行驶速度，当小车行驶到距障碍物40cm以内时，通过对pwm信号的调控，使小车减速行驶。在避障方面则采用超声波传感器作为探测模块，检测小车距前左右三个方向的障碍物的距离，并反馈给单片机，再由单片机控制小车转向使小车绕开障碍物。超声波传感器在测距时会产生反射以及散射现象，多次反射后会导致超声波传感器检测到的是多个回波信号，从而导致测得的距离值不准确，这也是本次设计的主要研究对象之一，主要通过软件内部去优化，以消除回波信号产生的影响，使能够测得一个较为精准的距离值。

本次设计的目标是设计一个超声波避障小车，要求能够准确的探测障碍物的距离，及时采取措施，有效地避开各种类型的障碍物。并且要求能够将距离值在显示屏上显示出来。遇到障碍时，还要能够根据障碍物的位置自动调节电机转速，从而实现对小车前进以及转弯速度的控制，另外小车还要具备报警功能作为避障的警示。小车系统主要包含了电源模块、单片机模块、超声波避障模块、电机驱动模块、显示报警模块。系统框图如图1所示。

4. 研究创新点

1、在避障的基础之上增加了报警和显示模块，可以将小车运行状况实时反馈出来并提前预警做好防范措施。

2、相比于过去的单方向超声波避障小车，本次设计在小车上安装了三个超声波模块，分别检测小车左中右三个方向的障碍，并通过pwm波对小车进行调速。